模塊化推掃式可見光/近紅外成像光譜儀的製作方法

2023-12-11 17:39:22 1

本發明涉及成像光譜技術領域，通過改進傳統推掃式成像光譜儀結構，降低現有成像光譜儀的功耗、成本以及有效準直消色差，同時，進行了模塊化的系統設計，方便調試和組裝。

背景技術：

成像光譜儀，將數字成像技術和光譜技術結合在一起，能夠同時獲得目標的二維圖像信息和光譜信息，可以應用在航空、航天等觀測系統上，實現對地目標觀測，用來監控植物生長，鑑別植物類型，以及鑑別軍事偽裝等。按其掃描方式不同，成像光譜儀可以分為三類：擺掃式，推掃式，和凝視型成像光譜儀。按其分光方式不同，可以分為光柵型、稜鏡型、幹涉型、濾光片型成像光譜儀。以光柵為分光器件的推掃式成像光譜儀一般由成像鏡頭，狹縫，準直鏡，光柵，匯聚鏡，面陣相機等組成。在此，我們提出了一種基於非球面消色差透鏡和面陣cmos相機的推掃式可見光/近紅外成像光譜儀，並對系統進行了模塊化設計，使系統具有結構緊湊，色差小，功耗小，光譜解析度高，便於調試跟組裝等優點。

技術實現要素：

1、發明目的。

本發明提出了一種模塊化推掃式可見光/近紅外成像光譜儀，以解決現有技術中結構比較複雜，成本比較高等問題。

2、發明所採用的技術方案。

本發明提出一種模塊化推掃式可見光/近紅外成像光譜儀，依次同軸設置透鏡、狹縫、第一非球面消色差透鏡、分光模塊、第二非球面消色差透鏡、面陣cmos相機。外界光經透鏡或者成像聚焦到狹縫上，狹縫經第一非球面消色差透鏡準直，然後經過分光模塊進行分光，最後，經過第二非球面消色差透鏡，聚焦到面陣cmos相機上。

為了降低成本，便於組裝，所述的分光模塊可拆卸設置。

更進一步具體實施方式中，所述的分光模塊由第一楔形稜鏡、透射光柵和第二楔形稜鏡，同軸設置依次排列組成。

更進一步具體實施方式中，所述的分光模塊組裝所採用的結構如下：所述的分光模塊包括稜鏡固定裝置、固定裝置，所述的稜鏡固定裝置和固定裝置都為圓柱形裝置，通過法蘭相對固定，其兩者相對的內部設有與方形透射光柵相匹配的凹槽用於固定方形透射光柵，外部端分別設置與圓形第一楔形稜鏡、第二楔形稜鏡相匹配的凹槽用於固定第一楔形稜鏡、第二楔形稜鏡。

更進一步具體實施方式中，還包括第二固定卡環、第三固定卡環，第一楔形稜鏡通過第二固定卡環固定在稜鏡固定裝置上，第二楔形稜鏡通過第三固定卡環固定在固定裝置上。

更進一步具體實施方式中，第一非球面消色差透鏡固定採用如下方式：還包括第一固定卡環、透鏡固定裝置，將第一非球面消色差透鏡放置在透鏡固定裝置中，通過第一固定卡環固定，透鏡固定裝置以螺紋連接的方式連接到分光模塊上。

更進一步具體實施方式中，轉接件安裝使用方式如下：還包括轉接件、左端外殼，左端外殼以螺紋連接的方式與透鏡固定裝置連接，轉接件與相機以c口螺紋的方式連接，轉接件套在左端外殼上，通過調整轉接件和左端外殼之間的相對位置，來確保相機的感光面在第一非球面消色差透鏡的焦平面上。

更進一步具體實施方式中，還包括第一轉接件，第二轉接件，第三轉接件，第二轉接件法蘭的形式連接到分光模塊，第二非球面消色差透鏡放置在第二轉接件中，然後用第四固定卡環固定。

更進一步具體實施方式中，第三轉接件套在第一轉接件上，第二轉接件具有與第三轉接件相匹配的外螺紋和第二轉接件的導向槽，第三轉接件與第一轉接件通過螺釘固定，旋轉第三轉接件時，第二轉接件向前移動，狹縫固定在第二轉接件上，通過第三轉接件調節狹縫與透鏡之間的距離。

更進一步具體實施方式中，還包括外殼右端、主體外殼和左端外殼，主體外殼與左端外殼以螺釘的形式連接，主體外殼與外殼右端以螺釘的形式連接。

3、本發明所產生的技術效果。

(1)本發明採用非球面消色差透鏡作為準直透鏡和聚焦透鏡，簡化了系統結構，同時保證系統具有較好的色差表現。

(2)本發明採用了模塊化設計，方便調節和組裝。

(3)本發明採用cmos相機作為感光元件，具有較低功耗和較高幀率。

附圖說明

圖1為系統的光路結構。

圖2為系統的整體外觀結構圖。

圖3為系統的詳細結構。

圖4為分光模塊組裝結構圖。

圖5為組裝內部結構視圖。

圖6為推掃式可見光/近紅外成像光譜儀與無人機安裝圖。

圖7為分光模塊原理圖。

附圖標記說明：

透鏡1，狹縫2，第一非球面消色差透鏡3-1，第二非球面消色差透鏡3-2，分光模塊4，外殼右端5，面陣cmos相機6,第一固定卡環7-1,第二固定卡環7-2,第三固定卡環7-3,第四固定卡環7-4，轉接件8，左端外殼9，透鏡固定裝置10，第一楔形稜鏡11-1和第二楔形稜鏡11-2，稜鏡固定裝置12，透射光柵13，固定裝置14，第一轉接件15-1，第二轉接件15-2，第三轉接件15-3，主體外殼16，無人機a,固定裝置b,推掃式可見光/近紅外成像光譜儀c。

具體實施方式

實施例1

下面結合附圖1-6對本發明作進一步說明。

1、具體結構：

一種模塊化推掃式可見光/近紅外成像光譜儀光路結構如圖1所示。依次同軸設置透鏡1、狹縫2、第一非球面消色差透鏡3-1、分光模塊4、第二非球面消色差透鏡3-2、、面陣cmos相機6,

外界光經透鏡1聚焦到狹縫2上，狹縫經第一非球面消色差透鏡3-1準直，然後經過分光模塊4進行分光，最後，經過第二非球面消色差透鏡3-2，聚焦到面陣cmos相機6上。分光模塊可拆卸設置，由第一楔形稜鏡11-1、透射光柵13和第二楔形稜鏡11-2，同軸設置依次排列組成。可以通過改變楔形稜鏡的楔角來調整相機上的光譜範圍，其原理如圖7所示。經過第一非球面消色差透鏡準直後的光線平行入射到楔形稜鏡上，稜鏡的楔角為a,光線經過稜鏡後發生折射，設其折射角為b，空氣的折射率為n1,稜鏡的折射率為n2,折射滿足斯涅耳定律:

n1×sin(a)＝n2*sin(b)

之後光線經過透射光柵分光，光線路徑滿足：

d×(sin(b)-sin(c))＝mλ

其中d為光柵常數，c為從光柵出射的階次為m的光線的出射角度。

由以上公式可以看出，通過改變楔形稜鏡的楔角，可以調整面陣相機的光譜範圍，用以適應不同種類的相機。

與傳統的推掃式成像光譜儀相比，系統採用了非球面消色差透鏡來代替非球面透鏡，或者透鏡組，在準直的同時，對系統的色差進行了校正，具有結構緊湊，色差小的特點。此外，使用cmos相機作為感光元件，降低了系統的功耗。

如圖4和圖5所示，所述的分光模塊還包括第一固定卡環7-1、第二固定卡環7-2、第三固定卡環7-3、透鏡固定裝置10、稜鏡固定裝置12、固定裝置14，所述的稜鏡固定裝置12和固定裝置14都為圓柱形裝置，通過法蘭相對固定，其兩者相對的內部設有與方形透射光柵13相匹配的凹槽用於固定方形透射光柵13，外部端分別設置與圓形第一楔形稜鏡11-1、第二楔形稜鏡11-2相匹配的凹槽用於固定第一楔形稜鏡11-1、第二楔形稜鏡11-2，第一楔形稜鏡11-1通過第二固定卡環7-2固定在稜鏡固定裝置12上，第二楔形稜鏡11-2通過第三固定卡環7-3固定在固定裝置14上，將第一非球面消色差透鏡3-1放置在透鏡固定裝置10中，通過第一固定卡環7-1固定，透鏡固定裝置10以螺紋連接的方式連接到分光模塊上。

如圖3所示，本發明還包括第一轉接件15-1，第二轉接件15-2，第三轉接件15-3，第二轉接件15-2以法蘭的形式連接到分光模塊，然後用螺釘固定，第二非球面消色差透鏡3-2放置在第二轉接件15-2中，然後用第四固定卡環7-4固定。第三轉接件15-3套在第一轉接件15-2上，第二轉接件15-2具有與第三轉接件15-3相匹配的外螺紋和第二轉接件15-2的導向槽，第三轉接件15-3與第一轉接件15-1通過螺釘固定，旋轉第三轉接件15-3時，第二轉接件15-2向前移動，狹縫2固定在第二轉接件15-2上，通過第三轉接件15-3調節狹縫與透鏡之間的距離。

還包括外殼右端5、轉接件8、左端外殼9、主體外殼16，左端外殼9以螺紋連接的方式與透鏡固定裝置10連接，轉接件8與相機以c口螺紋的方式連接，轉接件8套在左端外殼9上，通過調整轉接件8和左端外殼9之間的相對位置，來確保相機的感光面在第一非球面消色差透鏡3-1的焦平面上，之所以採用這樣的調節方式，是因為系統的光譜解析度，在不考慮狹縫影響的前提下，由分光模塊中透射光柵的線色散決定。光柵的線色散，可以由以下公式表示：

其中，m為衍射光譜級次，θ為衍射角，f為聚焦透鏡焦距，σ探測器光敏面傾角。可以看出，系統光譜解析度在光柵確定的情況下，受聚焦透鏡焦距的影響很大，因此需要採用此種方式對其進行精細調節。

主體外殼16與左端外殼9以螺釘的形式連接，主體外殼16與外殼右端5以螺釘的形式連接。

2、安裝方式

對分光模塊進行安裝如圖4所示，首先將透射光柵13放置在固定裝置14中，用膠固定，然後將第二楔形稜鏡11-2從右端放置到固定裝置14中，用第三固定卡環7-3固定。然後將稜鏡固定裝置12與固定裝置14用螺紋固定，為了方便定位，以及保證共軸性，稜鏡固定裝置12與固定裝置14之間設置有相匹配的法蘭。接下來，將第一楔形稜鏡11-1放置在稜鏡固定裝置12中，用第二固定卡環7-2固定。分光模塊安裝完成後，將圖3中的透鏡固定裝置10以螺紋連接的方式連接到分光模塊上，將第一非球面消色差透鏡3-1放置在透鏡固定裝置10中，然後用第一固定卡環7-1固定。之後，將左端外殼9以螺紋連接的方式與透鏡固定裝置10連接。轉接件8與相機以c口螺紋的方式連接。然後將轉接件8套在左端外殼9上，通過調整轉接件8和左端外殼9之間的相對位置，來確保相機的感光面在第一非球面消色差透鏡3-1的焦平面上。將相機感光面移到透鏡的焦平面之後，將轉接件8和左端外殼9用螺釘固定。接下來，根據圖3，將第二轉接件15-2以法蘭的形式，連接到分光模塊，然後用螺釘固定。

將第二非球面消色差透鏡3-2放置在第二轉接件15-2中，然後用第四固定卡環7-4固定。為了使狹縫2恰好處於第二非球面消色差透鏡3-2的焦平面，從而得到比較好的準直效果，此處借鑑了成像鏡頭的機械設計，將第三轉接件15-3套在第一轉接件15-2上，第二轉接件15-2具有與第三轉接件15-3相匹配的外螺紋，第三轉接件15-3上面除了有與第二轉接件15-2相匹配的內螺紋，還有第二轉接件15-2的導向槽，將第三轉接件15-3與第一轉接件15-1通過螺釘固定，這樣當旋轉第三轉接件15-3時，第二轉接件15-2就會向前移動，將狹縫狹縫2固定在第二轉接件15-2上，就可以通過第三轉接件15-3來調節狹縫與透鏡之間的距離。在以上調節都完成之後，將主體外殼16與左端外殼9以螺釘的形式連接，然後再將主體外殼16與外殼右端5以螺釘的形式連接。

如圖6所示，a是無人機，c是推掃式可見光/近紅外成像光譜儀，b是固定裝置，通過固定裝置b將推掃式可見光/近紅外成像光譜儀c固定在無人機上。坐標軸如圖6左上角所示，y軸垂直紙面向裡。掃描時，無人機的高度固定，沿x軸的方向運動，即可得到xy平面物體的空間信息和在陽光照射下的反射光譜信息。可以用來監控農作物長勢以及進行病蟲害監測。當採用等效焦距為50mm的非球面消色差透鏡來進行準直和聚焦，狹縫寬度為10um時，探測器為振旺光電的asi174mm時，系統可以實現1.5nm的光譜解析度，其波長範圍為350nm-1000nm。

上述描述中的實施方案可以進一步組合或者替換，且實施方案僅僅是對本發明專利的優選實施例進行描述，並非對本發明專利的構思和範圍進行限定，在不脫離本發明專利設計思想的前提下，本領域中專業技術人員對本發明專利的技術方案作出的各種變化和改進，均屬於本發明的保護範圍。本發明的目的是提供一種模塊化的，結構緊湊，方便調試跟組裝的，並且具有較高光譜解析度的推掃式可見光/近紅外成像光譜儀。